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在GRAPES模式中引入夹卷过程的影响试验

刘羽  
【摘要】:随着数值天气预报和计算机技术的迅速发展,数值天气预报模式的分辨率也越来越高,但模式的有限网格尺度始终不能显式分辨大气中存在的所有尺度。由于湍流运动经常活跃在比模式的水平网格更小的尺度上,因而为描述这些次网格物理过程的作用,参数化的处理方式依然十分重要。换句话说就是将次网格过程使用包含可分辨的网格尺度变量的公式来表示。行星边界层代表了地表与模式最底层之间热量、动量和水汽的湍流输送,因此边界层直接影响着数值天气、气候模式的模拟性能。 本文针对GRAPES模式边界层过程中MRF边界层方案的不足之处,引入了一个新的方案-YSU边界层方案,通过单柱模式和实际个例进行了两个方案的对比试验,在替代MRF方案的同时也期待提高GRPAES模式的预报效果。 新方案相对于MRF方案最大的改进措施是考虑了夹卷效应的显式处理。通过Wangara单柱理想实验对两方案的检验发现,YSU方案减弱机械驱动对湍流的产生效果,同时在热力引发自由对流的状况下增强边界层中的湍流混合。白天增大的湍涡扩算系数使得边界层中气象要素混合增强,边界层中部风廓线和虚位温廓线趋于中性。边界层顶出现的向下感热通量大值区则表明,YSU方案引入的夹卷效应显式计算增强了混合层与自由大气间的夹卷作用,能够有效阻止边界层内湍流通量过分的向上传输。在此基础上确定了YSU方案中临界Richardson数取0.25时会产生更合理的边界层结构。对台风“凡亚比”的个例模拟表明,相对于MRF方案,YSU方案具有模拟复杂天气状况的良好性能,其模拟的台风路径和降水变化的误差均小于MRF方案,且物理量的时空分布更接近于分析。台风影响初期更为湿暖的大气延缓了台风的衰减速度,有利于降水的生成。台风影响后期边界层的敏感性逐渐突出,边界层内的水汽含量高而边界层之上较为干燥的特征,是由于增强的夹卷作用抑制水汽过分向上传输的结果,这缓解了MRF方案模拟的低层水汽过干的问题。 进一步分析发现,YSU方案没有建立针对夜间稳定边界层的参数化。本论文中通过改进YSU方案对稳定层内速度尺度的计算,抑制了过度的混合,改善了稳定层内大气要素的时空分布特征。减小的Prandtl数能够在白天增大湍流混合。自由大气中渐进长度取消常值的设定,有效消除了从混合层开始崩溃到夜间这一阶段边界层顶之上涡旋混合的异常增大现象。


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